Effinciency_and_Environment_05_2018

Speciale Energy Harvesting della cella solare può essere rappresentato da una porta di potenza con caratteristica I-V (Fig.2.1). La caratteristica è non lineare, la corrente di corto circuito ISC si incrementa all’aumentare dell’esposizione dei raggi solari e la tensione VOC di circuito aperto vale circa 0.6-0.7 V/cella. Per ogni condizione di intensità luminosa esiste un punto operativo che massimizza la potenza in uscita della cella (Fig.2.2): questo punto detto Maximum Power Point (MPP) può essere raggiunto con tecniche di Maximum Power Point Tracking che consentono di inseguire il punto di massima estrazione anche al variare della luminosità. Vibrazioni meccaniche L’energia vibrazionale è presente in molte forme nel nostro ambiente quotidiano come l’energia cinetica: dal traffico veicolare alla semplice camminata. Una fonte di energia raccoglibile è quindi la vibrazione meccanica di un corpo (per esempio le vibrazioni a cui sono sottoposti i macchinari di una fabbrica); l’utilizzo di materiale piezoelettrico ha reso possibile la conversione di questa energia in energia elettrica (Fig.3), ottenendo una potenza in uscita che va dalle centinaia di μW ai pochi mW in un range di frequenza da 10 a 300 Hz. I materiali piezoelettrici hanno una struttura cristallina che permette di trasformare l’energia di deformazione meccanica in cariche elettriche (effetto piezoelettrico diretto) e dualmente sono in grado di convertire una differenza di potenziale in deformazione (effetto piezoelettrico inverso). Questa caratteristica concede ai piezoelettrici l’abilità di assorbire energia meccanica dall’ambiente circostante e la trasforma in energia elettrica che può andare ad alimentare altri dispositivi. Il modello elettromeccanico equivalente di un generatore piezoelettrico può essere rappresentato come in figura (Fig.4). In questo modello si nota: • il generatore di forza F espresso nel dominio meccanico (sorgente alternata c.a.); • l’induttore Lm espresso nel dominio meccanico rappresenta la massa inerziale equivalente; sorgenti energetiche, dando una descrizione del convertitore harvester associato e delle condizioni da rispettare per avere massima estrazione energetica. Per i vari tipi di sorgenti viene riassunta, in tabella, la potenza estraibile per unità harvester. Sorgente energetica Potenza raccolta Meccanica Fonte umana Ambiente industriale 4 μW/cm 2 100 μW/cm 2 Termica Fonte umana Ambiente industriale 25 μW/cm 2 10 mW/cm 2 Fotovoltaica Outdoor Indoor 100 mW/cm 2 100 μW/cm 2 Elettromagnetica GSM WI-FI 0,1 μW/cm 2 0,001 mW/cm 2 Tab. 1 - Potenza estraibile per vari tipi di sorgente (Fonte: Texas Instruments e Ieee Press) Solare Fotovoltaico La radiazione solare è la fonte primaria di energia presente in natura, con una densità di potenza media di 100 mW/cm 2 all’aperto e 100 μW/cm 2 all’interno (in Standard Test Condition: AM 1.5 Spectrum, T=25 °C). La conversione da energia fotovoltaica ad elettrica si verifica quando un dispositivo, formatodaunostratodi siliciodrogato n e uno drogato p, viene esposto direttamente all’incidenza della luce e quindi dei fotoni (Fig.1). In corrispondenza dell’area di giunzione si viene a creare una corrente tanto maggiore quanto più elevata è l’intensità della luce. Il dispositivo di energy harvesting utilizzato per raccogliere l’energia solare è la cella fotovoltaica, costituita da una giunzione p-n. Può essere costruita usando diverse tecnologie (per esempio moduli al silicio monocristallino/policristallino o moduli a film sottile) sulla base delle quali e in base al materiale drogante, si possono ottenere valori di efficienza che vanno dal 5% al 30%. Il modello circuitale Fig. 1 - Radiazione solare e conversione fotovoltaica Fig. 2.1 e 2.2 - Caratteristica I-V della cella fotovoltaica e Maximum Power Point fotovoltaico Fig. 3 - Conversione energetica di un materiale piezoelettrico ed esempio di convertitore piezoelettrico 21 Efficiency & Environment - Maggio 2018